本 文 原 載 化 工 第 五 十 八 卷 第 五 周 治 忠 油 基 生 物 煉 製 ( Lipid-Based Biorefinery ) 期 (2011 10 年 ) 月 國 光 石 化 喊 停, 對 國 內 產 業 界 習 慣 以 石 油 為 原 料 來 源 中 心 之 思 維 模 式, 未 嘗 不 是 提 供 非 常 好 之 省 思 契 機 長 期 以 來, 國 人 不 太 願 意 去 思 考 石 油 以 外 之 替 代 性 原 料 有 哪 些? 以 及 我 們 可 以 扮 演 怎 樣 之 角 色? 台 灣 資 源 短 缺, 土 地 面 積 小, 使 得 大 家 習 以 為 我 們 不 可 能 產 生 或 建 立 足 夠 之 替 代 性 原 料, 這 是 一 直 覺 式 之 錯 覺 其 實, 台 灣 亦 不 產 石 油, 但 我 們 過 去 之 石 化 工 業 則 發 展 的 很 好, 只 是 很 不 幸 扮 演 類 似 代 工 之 角 色, 這 種 產 業 思 維 延 續 ( 禍 延 ) 至 今 天 之 電 子 IC LED 及 太 陽 能 產 業, 以 致 成 為 我 們 推 動 產 業 發 展 升 級 之 夢 魘 我 們 是 否 應 該 下 定 決 心, 擺 脫 掉 這 種 代 工 之 宿 命 論? 產 業 發 展, 最 基 本 之 元 素 為 料 源 與 技 術 我 們 知 道 自 己 之 缺 陷 為 無 法 掌 控 料 源, 但 技 術 則 是 我 們 之 強 項, 更 何 況 透 過 技 術 之 輸 出, 我 們 甚 至 可 以 以 互 補 性 方 式 彌 補 或 取 得 料 源 因 此 在 石 油 替 代 性 原 料 之 開 發 上, 我 們 沒 有 理 由 放 棄 機 會, 而 應 該 認 真 去 思 考 及 檢 討 我 們 可 以 掌 握 及 扮 演 怎 樣 之 角 色? 油 脂 及 其 相 關 之 產 業 技 術 鏈 油 脂 為 石 油 替 代 性 料 源 之 一, 且 是 目 前 最 有 機 會 成 為 產 業 永 續 發 展 之 再 生 性 料 源, 一 種 可 以 不 斷 透 過 再 生 ( Renewable ) 方 式 取 得 之 料 源 石 油 作 為 石 化 原 料 之 比 例 僅 在 5% 上 下, 這 其 中 絕 大 部 分 可 以 利 用 油 脂 遞 補, 但 將 油 脂 僅 作 為 生 質 柴 油 以 燃 料 方 式 運 用, 則 是 暴 殄 天 物 之 作 法, 屬 於 低 價 值 運 用, 套 句 現 在 國 內 流 行 政 治 正 確 之 語 言, 違 反 產 業 高 值 化 政 策 圖 一 為 以 油 脂 為 基 礎 之 產 業 技 術 鏈 油 脂 之 來 源 傳 統 上 從 油 籽 如 黃 豆 葵 花 籽 油 菜 籽 或 蓖 麻 籽 等 不 可 食 用 油 籽 或 動 物 油 魚 油 等 取 得 但 實 際 上 油 籽 之 來 源 達 上 千 種, 只 是 受 限 於 區 域 性 季 節 性 或 未 大 量 開 發 等 因 素, 而 不 為 人 們 所 習 知 為 彌 補 油 籽 量 上 之 不 足, 現 時 全 球 最 熱 門 之 題 材 為 利 用 藻 類 ( Algae ) 開 發 油 源, 藻 類 之 碳 源 則 可 以 取 自 所 有 之 生 質 料 源 ( Biomass ), 甚 至 包 括 直 接 以 大 氣 中 之 二 氧 化 碳 為 料 源 根 據 圖 一, 從 藻 類 或 油 籽 收 成 到 製 造 生 質 柴 油 或 脂 肪 酸 烷 化 酯 ( Fatty acid alkyl esters ), 基 本 上 包 括 萃 油, 油 之 前 處 理, 酯 化 或 轉 酯 化 技 術, 這 些 製 程 技 術 在 傳 1
統 之 食 品 工 業 裡 都 已 經 發 展 的 很 成 熟, 然 而 當 產 品 之 用 途 以 工 業 應 用 為 主 時, 則 上 述 製 程 均 必 須 重 新 加 以 檢 討 ; 換 句 話 說, 工 業 用 與 食 用 之 產 品 規 範 差 異 性 非 常 大, 直 接 援 引 原 食 用 油 製 程 並 不 符 合 工 業 用 之 經 濟 效 益 需 求 萃 油 傳 統 上 以 榨 取 ( Press ) 及 溶 劑 萃 取 ( Solvent extraction ) 同 時 並 用 為 主 採 用 溶 劑 萃 取, 必 須 將 萃 取 溶 劑 與 油 脂 再 分 離, 俾 回 收 萃 取 溶 劑 再 循 環 使 用 但 如 果 能 夠 將 溶 劑 分 離 步 驟 省 掉, 則 整 個 製 程 將 簡 化, 我 們 開 發 出 利 用 下 游 之 生 質 柴 油 或 烷 化 酯 直 接 作 為 萃 取 溶 劑, 萃 油 率 與 相 關 不 純 物 ( Impurities ) 如 水 分 及 磷 等 金 屬 離 子 之 含 量 均 可 與 利 用 正 己 烷 ( n-hexane ) 為 萃 取 溶 劑 不 相 上 下, 甚 至 更 完 美 生 質 柴 油 ( 或 烷 化 酯 ) 與 萃 出 之 油 脂 並 不 需 要 分 離, 直 接 可 以 作 為 下 游 生 質 柴 油 ( 或 烷 化 酯 ) 工 廠 之 進 料 這 樣 之 油 萃 取 程 序 可 以 直 接 應 用 到 藻 類 萃 油 或 米 糠 油 萃 取 等 油 前 處 理 傳 統 上 萃 出 之 油 脂 必 須 經 過 一 連 串 之 精 煉 程 序 才 能 得 到 成 品 油, 這 些 流 程 包 括 前 處 理 如 過 濾, 脫 磷 ( Degumming ), 中 和 ( 去 除 脂 肪 酸 ), 漂 白 ( Bleaching ) 主 要 用 於 2
去 除 色 素, 以 及 脫 臭 ( Deodorization ) 主 要 用 於 去 除 脂 肪 酸 氧 化 物 以 及 殘 存 之 殺 蟲 劑 等 雜 質 如 果 引 用 傳 統 之 鹼 性 製 程 製 造 生 質 柴 油, 由 於 鹼 性 製 程 之 脂 肪 酸 ( FFA ) 在 進 料 中 必 須 降 低 至 1.0-0.5 wt% 以 下, 因 此 基 本 上 都 會 引 用 精 煉 油 脂 做 為 進 料, 使 得 進 料 成 本 偏 高 但 如 果 改 用 酵 素 製 程, 則 因 為 酵 素 可 以 將 脂 肪 酸 及 中 性 油 脂 同 時 轉 換 為 生 質 柴 油 ( 或 烷 化 酯 ), 因 此 上 述 精 煉 製 程 可 以 大 幅 簡 化 至 只 要 經 過 過 濾 脫 磷 等 前 處 理 即 可 作 為 製 程 進 料, 其 他 均 可 免 去 即 使 剩 下 之 脫 磷 製 程 ( Degumming ), 亦 仍 可 以 揚 棄 傳 統 加 酸 如 磷 酸 檸 檬 酸 等 然 後 再 離 心 分 離 脫 掉 膠 質 ( Gums ) 等 處 理 方 式, 因 為 磷 脂 ( Phospholipid ) 基 本 上 是 一 乳 化 劑 ( Emulsifier ), 油 水 乳 化 無 可 避 免 將 會 喪 失 部 分 油 脂, 因 此 應 加 以 避 免 我 們 開 發 出 利 用 固 定 化 酵 素 將 非 水 解 性 磷 脂 ( Nonhydratable phospholipid ) 先 轉 化 為 水 解 性 磷 脂 ( Hydratable phospholipid ), 然 後 再 利 用 水 脫 膠 ( Water degumming ) 方 式, 即 可 輕 易 將 磷 含 量 降 至 10 ppm 以 下, 擺 脫 掉 乳 化 問 題 轉 酯 化 製 程 目 前 已 大 量 商 業 化 之 生 質 柴 油 製 程, 基 本 上 均 為 鹼 性 製 程, 引 用 NaOH KOH 或 CH 3 ONa 觸 媒 進 行 反 應, 少 數 廠 商 外 加 一 酸 性 製 程 用 以 處 理 脂 肪 酸 然 而 酸 性 製 程 無 法 有 效 進 行 轉 酯 化, 因 此 建 一 龐 大 之 酸 性 製 程 系 統 只 為 了 處 理 進 料 中 10-20 wt % 之 脂 肪 酸, 是 一 昂 貴 的 作 法 利 用 現 時 之 化 學 方 法 製 造 生 質 柴 油, 涉 及 大 量 之 廢 水 處 理, 另 副 產 品 甘 油 品 質 不 佳 ( 50-85 wt % ), 缺 乏 商 業 價 值 利 用 固 定 化 酵 素 作 為 觸 媒, 基 本 上 可 以 避 開 上 述 化 學 方 法 之 弊 然 而 酵 素 會 受 到 甲 醇 乙 醇 以 及 甘 油 之 毒 害, 以 致 喪 失 活 性, 因 此 只 要 能 夠 避 開 上 述 問 題, 則 引 用 固 定 化 酵 素 將 和 引 用 一 般 傳 統 石 化 製 程 之 固 態 觸 媒 完 全 一 樣 我 們 即 利 用 在 反 應 中 加 入 惰 性 溶 劑 之 方 式, 非 常 徹 底 的 解 決 掉 這 個 酵 素 失 活 問 題 在 過 去 之 觀 念 以 及 相 關 文 獻 之 報 導 裡, 一 再 強 調 酵 素 成 本 高, 使 用 壽 命 短, 反 應 時 間 長, 這 在 錯 誤 之 酵 素 製 程 裡, 必 然 得 到 這 樣 之 結 論 ; 然 而 在 正 確 之 酵 素 製 程 裡, 這 些 問 題 根 本 不 存 在 酵 素 之 成 本 一 在 製 造 成 本, 一 在 使 用 壽 命 及 反 應 性 能 ( Performance ) 提 高 反 應 性 能 即 可 以 將 酵 素 之 需 求 量 降 至 最 低 ; 不 讓 酵 素 中 毒, 3
即 可 延 長 使 用 壽 命 ; 引 用 價 格 經 濟 之 酵 素 來 源, 即 可 將 製 造 成 本 降 至 最 低 我 們 花 了 五 年 時 間 開 發 酵 素 固 定 化 製 程, 現 時 亦 已 建 好 一 示 範 級 工 廠 酵 素 之 使 用 量 可 以 降 至 每 日 產 能 之 3 % 以 下 ( 即 每 日 產 能 100 Ton 之 工 廠, 只 要 3 Ton 固 定 化 酵 素 即 足 ); 反 應 時 間 可 控 制 在 10-60 分 鐘 以 內 ; 酵 素 之 使 用 壽 命 正 常 情 況 下 可 以 延 長 至 12-18 個 月, 酵 素 半 衰 期 可 以 達 60 個 月 以 上 ; 固 定 化 酵 素 之 生 產 成 本 亦 遠 低 於 目 前 市 面 上 之 產 品, 可 以 引 用 之 酵 素 來 源 目 前 評 估 至 少 有 十 多 種 換 句 話 說, 在 未 來 大 量 化 使 用 下, 酵 素 之 生 產 成 本 可 以 進 一 步 大 幅 度 降 低, 亦 即 固 定 化 酵 素 之 使 用 成 本 在 未 來 將 變 得 完 全 不 重 要 實 際 上, 現 時 若 引 用 酵 素 製 程 製 造 高 價 位 之 烷 化 酯, 這 個 成 本 已 無 足 輕 重 引 用 酵 素 製 程 最 大 之 利 基 在 能 引 用 含 高 游 離 脂 肪 酸 之 油 源, 因 此 進 料 成 本 可 以 有 效 降 至 產 品 價 格 之 50% 以 下, 甚 至 更 低 此 外, 這 種 製 程 沒 有 廢 水 事 業 廢 棄 物 且 在 常 溫 下 運 作 酵 素 製 程 可 以 直 接 產 出 純 生 質 柴 油 ( 或 烷 化 酯 ) 與 純 甘 油 由 於 進 料 之 處 理 並 未 涉 及 油 品 之 精 煉 製 程, 因 此 許 多 油 料 中 高 附 加 價 值 產 物 如 維 他 命 A 之 前 驅 物 維 他 命 E, 或 其 他 營 養 物 ( Nutrients ) 均 得 以 保 存 而 可 以 從 產 品 油 中 分 離 出 來 這 些 附 加 利 益, 遠 非 一 般 傳 統 化 學 製 程 可 比 擬 單 甘 油 酯 ( Monoglyceride ) 利 用 前 述 酵 素 製 程 得 到 之 純 甘 油, 可 以 進 一 步 延 伸 用 於 製 造 單 甘 油 酯 單 甘 油 酯 是 甘 油 分 子 上 掛 一 脂 肪 酸 基 ( Fatty acid moiety ), 因 此 單 甘 油 酯 分 子 上 含 有 二 個 OH 功 能 基 及 一 脂 肪 酸 基, 脂 肪 酸 基 可 以 是 長 鏈 或 短 鏈 碳 基, 飽 和 或 非 飽 和 結 構, 非 飽 和 結 構 可 以 是 一 個 或 多 個 未 飽 和 鍵, 甚 至 其 上 仍 帶 有 OH 基 之 結 構, 如 蓖 麻 油 酸 ( Ricinoleic acid ) 單 甘 油 酯 本 身 即 可 以 是 變 化 多 端 之 結 構, 因 此 是 一 非 常 理 想 之 合 成 化 學 基 本 原 料 ( Synthetic building block ) 過 去, 單 甘 油 酯 主 要 用 在 食 品 醫 藥 或 化 妝 品 業, 作 為 乳 化 劑 ( 塑 化 劑 ) 等 用 途, 一 些 則 用 於 PVC PP LDPE 等 塑 膠 業 作 為 抗 霧 抗 靜 電, 或 作 潤 滑 液, 但 所 用 產 品 純 度 都 不 高 高 純 度 之 單 甘 油 酯 則 由 於 不 易 製 得, 成 本 高 昂, 只 能 用 在 藥 物 輸 送 ( Drug delivery ), 或 作 為 紡 織 纖 維 等 之 潤 滑 液, 且 產 品 多 為 飽 和 脂 肪 酸 基, 用 途 非 常 受 限 根 據 前 述, 當 純 單 甘 油 酯 ( Monoglyceride, 99.5 wt% ) 多 樣 化 之 料 源 能 大 量 生 產 時, 將 大 幅 度 改 變 石 化 產 品 之 原 料 結 構, 亦 即 未 來 許 多 產 品 之 生 產 可 以 改 用 以 這 4
種 生 質 原 料 為 主, 不 必 再 完 全 仰 賴 乙 烯 丙 烯 等 傳 統 性 石 化 原 料 圖 二 為 就 目 前 我 們 所 知, 將 單 甘 油 酯 之 衍 生 運 用 作 一 表 列 整 理 從 表 中 可 以 清 楚 了 解, 過 去 我 們 所 習 知 之 產 品 許 多 可 以 引 用 單 甘 油 酯 為 基 本 原 料 圖 二 單 甘 油 酯 之 衍 生 運 用 SBC (2011) 應 用 實 例 此 處 雖 以 牛 油 ( Tallow ) 為 例, 但 其 可 引 申 至 類 似 之 油 源 在 狂 牛 病 發 現 以 前, 牛 油 普 遍 作 為 食 用 或 摻 至 動 物 飼 料, 但 之 後 則 轉 為 生 質 柴 油 之 油 源 然 而 乾 淨 之 牛 油 基 本 上 是 一 新 鮮 之 油 源 ( Fresh oil ), 若 以 之 和 異 丙 醇 ( Isopropanol ) 反 應 製 造 脂 肪 酸 烷 化 酯 ( Fatty acid alkyl esters ), 然 後 經 由 分 離, 我 們 可 以 得 到 肉 豆 蔻 酸 異 丙 酯 ( Isopropyl myristate ), 棕 櫚 酸 異 丙 酯 ( Isopropyl palmitate ), 硬 脂 酸 異 丙 酯 ( Isopropyl stearate ), 油 酸 異 丙 酯 ( Isopropyl oleate ), 亞 麻 仁 油 酸 異 丙 酯 ( Isopropyl linoleate ), 後 三 者 則 可 以 再 進 一 步 轉 化 為 相 對 應 之 純 單 甘 油 酯, 作 為 合 成 化 學 之 5
基 本 原 料, 利 用 傳 統 化 學 方 法, 幾 無 可 能 做 如 此 衍 生 運 用, 但 在 本 文 所 談 之 方 法 裡, 這 些 變 成 唾 手 可 及, 這 些 產 品 均 是 高 附 加 價 值 產 物 此 例 說 明 經 由 製 程 之 轉 變, 我 們 可 以 將 產 品 高 值 化 產 業 之 延 伸 圖 三 為 與 油 基 生 物 煉 製 相 關 之 上 下 游 產 業 這 樣 之 一 新 產 業, 基 本 上 可 以 與 上 游 之 農 業 體 系 生 技 發 酵 產 業 產 生 聯 結, 亦 可 以 將 生 物 觸 媒 之 使 用 及 開 發 做 進 一 步 發 揚 光 大, 對 於 傳 統 之 機 械 石 化 特 化 以 及 能 源 產 業, 則 可 以 催 化 老 幹 新 枝 重 生 之 作 用 圖 三 與 油 基 生 物 煉 製 相 關 之 上 下 游 產 業 6
結 論 過 去 台 灣 化 工 生 技 及 農 業 科 技 界 之 人 才 濟 濟, 但 我 們 實 不 願 再 看 到 新 一 代 培 養 出 來 之 人 才 竟 流 失 至 IC 業 等 守 著 機 台, 而 應 導 引 他 們 走 向 自 己 之 專 業 本 文 將 我 們 過 去 十 年 來 推 動 新 一 代 產 業 之 努 力, 做 一 扼 要 敘 述, 期 望 能 拋 磚 引 玉, 激 起 國 人 能 以 更 寬 廣 之 思 維 視 野 耐 心 與 決 心, 並 透 過 群 策 群 力 開 創 出 我 們 新 一 代 獨 立 自 主 之 永 續 性 產 業 7